L’applicazione di FDS nello studio di scenari in gallerie stradali

La Fire Safety Engineering si presta bene all’applicazione nel caso di incendi in galleria, le cui conseguenze, come visto nel Capitolo 1, possono essere severe sia per quanto riguarda l’impatto sugli utenti, per il disservizio della struttura e per l’ambiente. L’applicazione della FSE permette ai progettisti di simulare l’andamento dell’incendio e dei suoi effluenti e di predisporre gli idonei presidi di sicurezza attivi o passivi, il cui posizionamento (soprattutto in relazione ai percorsi di esodo) risulta cruciale per la mitigazione delle conseguenze dello scenario. Inoltre, la particolarità dell’opera civile è pienamente allineata con la filosofia alla base della Fire Safety Engineering e con il campo di applicazione di questa metodologia riportato nel Decreto Ministeriale 09/05/2007 “Direttive per l’attuazione dell’approccio

inge-gneristico alla sicurezza antincendio”:

in presenza di insediamenti di tipo complesso o a tecnologia avanzata, di edifici di partico-lare rilevanza architettonica e/o costruttiva, ivi compresi quelli pregevoli per arte o storia o ubicati in ambiti urbanistici di particolare specificità, la metodologia descritta nel presente decreto può essere applicata:

• per la individuazione dei provvedimenti da adottare ai fini del rilascio del certificato di

prevenzione incendi nel caso di attività non regolate da specifiche disposizioni antin-cendio;

• per la individuazione delle misure di sicurezza che si ritengono idonee a compensare

il rischio aggiuntivo nell’ambito del procedimento di deroga […].

Allo stato attuale i modelli più frequentemente utilizzati sono: • modelli analitici semplificati

• modelli di simulazione dell’incendio a zone per ambienti confinati (CFast, Ozone) • modelli di simulazione dell’incendio di campo (FDS, CFX, Fluent)

• modelli di simulazione dell’esodo

• modelli di simulazione del comportamento strutturale in caso l’incendio (Ansys, Adina, Abaco, Diana, Safir)

La scelta del modello per la simulazione dell’incendio è fatta dal progettista in base allo scopo per il quale la simulazione è richiesta: l’applicazione di modelli di calcolo CFD, come FDS, risulta maggiormente idonea qualora lo scenario sia complesso e richieda un livello di dettaglio maggiore riguardo alle variabili in campo rispetto a modelli semplificati a zone, come CFAST, in grado di cogliere la stratificazione dei fumi ma non i flussi in prossimità del

focolaio, e a modelli monodimensionali. Ad esempio, la progettazione della tenuta di condi-zioni non incapacitanti per gli utenti è oggetto di complesse valutacondi-zioni che possono essere dettagliatamente analizzate attraverso l’uso di solutori come FDS.

Un ulteriore vantaggio dell’approccio alla valutazione della sicurezza di un’infrastruttura quale la galleria stradale tramite software di modellazione come FDS consiste nella nume-rosità e variabilità di scenari implementabili dal progettista. Infatti, una volta colte le poten-zialità e le criticità del software e individuata l’incidenza sui risultati delle approssimazioni necessarie per la creazione di un modello, gli scenari di incendio modellabili sono pressoché illimitati. Inoltre, anche il numero di variabili in output analizzabili dai progettista sono molto numerose, ciò consente allo stesso una chiara interpretazione del fenomeno per ogni sce-nario modellato.

A valle del processo di simulazione il progettista, avendo a disposizione un set di parametri che descrivono vari scenari di incendio da lui ritenuti congrui e rappresentativi del rischio, può:

• Effettuare un’analisi del rischio di tipo quantitativo, avendo ben chiara la magnitudo degli eventi modellati;

• Predisporre gli idonei accorgimenti, previsti dalla Norma (D.Lgs 264/2006 e relative Linee Guida e Codice di Prevenzione Incendi ove la galleria ne rientri nel campo di applicazione) con un approccio di tipo prestazionale e non prescrittivo;

• Effettuare un’analisi del rischio confrontando un set di dispositivi di protezione e pre-venzione per stabilirne l’efficacia in termini di riduzione del rischio ed operare un con-fronto in termini di costi-benefici.

Questo approccio alla problematica degli incendi in galleria permette da un lato di predi-sporre quei sistemi che permettono di incrementarne la sicurezza e di ottenere le migliori performance dell’infrastruttura al costo più vantaggioso.

2.3.1 Limiti dell’applicazione di FDS

L’applicazione di una simulazione FDS nel caso di una galleria stradale presenta alcune difficoltà legate al software e alla sua capacità di effettuare calcoli in presenza di domini che si sviluppano lungo una direzione preferenziale [4].

In particolare, le maggiori problematiche riguardano in particolar modo il campo della pres-sione all’interno del dominio, che potrebbe inficiare la bontà dei risultati della simulazione in quanto il moto dei fluidi nel dominio avviene anche secondo gradienti di pressione. Come

La Fire Safety Engineering riportato nella FDS User Guide il campo della pressione potrebbe essere affetto da fluttua-zioni prive di significato fisico che potrebbero generare fenomeni di instabilità numerica a cause delle modalità con le quali FDS risolve le equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE). Il problema principale si riscontra nella dipendenza delle PDE utilizzate dalla densità del fluido all’instante n della simulazione, che varia nel tempo.

Il campo delle pressioni in output, inoltre, è funzione della dimensione caratteristica della cella con la quale è suddivisa la mesh in quanto questo termine rientra nella variabile di controllo dell’errore durante le iterazioni ricavato tramite il metodo delle differenza finite. Questo output di controllo permette di verificare l’andamento delle iterazioni, bloccando que-ste ultime quando i risultati tendono a divergere.

La corretta procedura per la valutazione dei risultati ottenuti è quella iterativa ovvero variare i dati in ingresso fino a quando i dati in output sulla pressione presentano fluttuazioni che si possono considerare accettabili e che non vanno a inficiare il significato fisico dei risultati. A questo proposito la FDS User Guide propone di:

• ridurre la tolleranza sull’errore, impostando quindi un valore desiderato dall’utente e indipendente dalla grandezza caratteristica delle celle, tramite un apposito comando della stringa PRES;

• individuare delle zone dotate di dimensioni e caratteristiche decise dall’utente (VENT) lungo il tunnel di tipo OPEN. Associando le caratteristiche OPEN a una superficie tipo VENT FDS imposta automaticamente una serie di paramenti collegati a tale zona di una superfice che simulano un punto di contatto con l’atmosfera esterna alla galleria; • Alternativamente al punto precedente è possibile predisporre degli HOLE, ovvero dei fori nella struttura della galleria con dimensioni tali da non influenzare la bontà dei risultati ma in grado di ridurre il fenomeno delle oscillazioni della pressione e preve-nire l’instabilità numerica.

Inoltre, nel caso specifico delle gallerie l’utilizzo di ventilazione forzata longitudinale e la presenza di ventilazione naturale determinata dalle condizioni atmosferiche (vento) incide sullo sviluppo delle pressioni all’interno del dominio. Nelle simulazioni quindi è necessario considerare tali aspetti ed eseguire un’attenta analisi dei risultati al fine di non pregiudicare la veridicità dei risultati.

Generalità sulla simulazione di incendi con FDS